研究報告 欠陥検出評価技術に関する研究 超音波探傷を支援する シミュレーション解析技術の活用事例 Applications of ultrasonic wave propagation analysis for the assistance to UT inspection 溶接・非破壊検査技術センター 関西電力 株式会社 古村一朗，古川 敬 鎌田 徹，南 安彦 The simulation of ultrasonic wave propagation is a very useful technique for analyzing the suitable inspection conditions, and for evaluating the inspection results by understanding the wave propagation phenomena in the objective structure for inspection. The analysis code for UT wave propagation simulation have been checked and confirmed by the photo-elastic visualization system whether the simulation results was corresponding to the experimental data such as the wave propagation phenomena and the detected waveform or not. In this paper, several examples of application of wave propagation analysis to the simulation of UT inspection are described. Keywords: : Ultrasonic wave propagation, Simulation analysis, Verification, Application for UT inspection 1......緒 言 試験片の設計への注意事項など，シミュレーション 技術の種々の活用事例について述べる。 超音波探傷における超音波の伝播状況をシミュレ 2......超音波探傷のシミュレーション技術 ーションする技術は，最適な探傷条件の策定や，試 験体対象部位内での超音波の伝搬や反射の様子を時 系列で把握し，探傷結果の解釈を支援する技術の一 超音波探傷シミュレーションを活用する上では， つとして大変有効な技術である。代表的な超音波の 解析結果の精度や有効性を検証しておくことが不可 伝播解析法には，有限要素法や差分法による数値解 欠であり，超音波が伝搬する様子を光弾性法により 析やレイトレース法のような近似解析などがあり 可視化する実験結果と，実験と同じ条件で解いた時 ， 1） ， 2） 著者らも有限要素法による大規模超音波探傷シミュ 系列のシミュレーション結果の比較検証を行なっ レーションシステムを開発し ，各種超音波探傷試 た。 3） 験結果の評価に活用してきた 。最近では，安価か 既報 8）において既に述べたが，本研究で用いたシ つ高性能な計算機が普及するに伴って，超音波探傷 ミュレーションコードは，著者らが独自に開発して のためのシミュレーションコードが市販されるよう きた二次元有限要素コード 3）（以下 FEM1 と記す） になり 5），6），7），かつては長時間の計算時間が必要であ 及び CTC ソリュションズ社製の有限要素コード った超音波探傷シミュレーションは現実的な技術に ComWave5）（以下 FEM2 と記す）である。両コード なってきている。 を用いて同一のモデルを同様な条件で解析し，さら 4） 本報告では，超音波伝播シミュレーションを探傷 に光弾性法による超音波可視化装置を用いた観察を 条件の最適化や探傷結果の予測，および実際の探傷 行い，両者における超音波伝播・反射・回折の状況 で得られた探傷画像に示されるエコー源の推定や， の比較を行なった。詳細は既報 8）を参照願うとして， 探傷技術の規格化を念頭においた校正方法や校正用 解析モデルは，近年，原子力配管溶接部の探傷に用 10 溶接・非破壊検査技術センター 技術レビュー Vol.4 2008 原子炉圧力容器鋼 （SQV2A） のテンパービード溶接法に関する研究 超音波探傷を支援するシミュレーション解析技術の活用事例 な精度を有していることが明らかになった。 いられるようになった 2 次クリーピング波法の超音 波伝播状況を解析するモデルであり，探触子は光弾 性可視化法の実験でも用いる縦波斜角 70 度探触子を 3......超音波探傷シミュレーションの活用事例 モデル化している。 3.1 2 次クリーピング波法の有効性確認 図 1 に探触子から発生した超音波の波面の解析結 平成 14 年に生じた BWR プラントの PLR 配管にお 果と可視化実験の観察結果を示す。図 1 の(a)から(c) ける SCC 損傷事例に端を発して使われるようになっ は各々 FEM1，FEM2 及び光弾性可視化の結果で， た，いわゆる改良 UT 法の一つに 2 次クリーピング 振動子を励振後約 12 μ秒後の音圧又は変位を示して 波法がある。公開で行われた確性試験の結果が反映 いる。FEM1，FEM2 及び実験結果ともに振幅と色 された NISA 文書やその後の JEAG4207-2004 超音波 合いの対応付けは同一ではないが，波面の形の違い 探傷指針では，溶接部に疑わしいエコーが認められ に着目して評価すると縦波や横波の主波面，および た場合は 2 次クリーピング波法により確認すること 図中に①から④と示した微弱な波面についても同様 となっている。 2 次クリーピング波法は図 2 に模式的に示すよう の結果であり，超音波シミュレーション技術が十分 に，通常の横波斜角探触子を用いた場合に観察され る，欠陥エコーと誤認識されやすい溶接部の裏波か ④ ② らのエコーが観察されないために，欠陥エコーと裏 波エコーの識別性に優れていると言われている。表 縦波 1 は国プロ（UTS-Pj）で行なわれた 2 次クリーピン ③ 横波 ① shear wave （a）FEM1 による解析結果 30-degree shear wave W W1 2 transmitted pulse 縦波 flaw echo penetration bead echo 横波 W1 transmitted pulse flaw echo W2 （a）横波斜角深傷法 （b）2 次クリーピング波法 図 2 横波斜角深傷法と 2 次クリーピング波法の比較 （b）FEM2 による解析結果 表 1 2 次クリーピング波法の効果 コールした欠陥数 チーム 縦波 探傷領域 斜角探傷 （45° ＋60° ）＋ （45° ＋60° ）の場合 2次クリーピング波の場合 9 9 欠陥領域 A 7 0 無欠陥領域 9 9 欠陥領域 B 2 0 無欠陥領域 10 10 欠陥領域 C 0 0 無欠陥領域 10 10 欠陥領域 D 3 0 無欠陥領域 9 9 欠陥領域 E 2 0 無欠陥領域 14 0 総誤検出数 横波 （c）光弾性可視化結果 図 1 超音波伝播解析結果と超音波可視化像の対応 （送波後約 12μ秒の超音波の波面） 11 溶接・非破壊検査技術センター 技術レビュー Vol.4 2008 0 10 20 30 -60 -40 -20 0 20 40 60 探傷面からの深さ位置(mm) 探傷面からの深さ位置(mm) 研究報告 欠陥検出評価技術に関する研究 0 10 20 30 -60 -40 -20 Y距離(mm) 10 20 -40 -20 0 20 40 60 (b) 無欠陥の場合の２次クリーピング波による探傷 0 20 40 60 探傷面からの深さ位置(mm) 探傷面からの深さ位置(mm) (a) 無欠陥の場合の45° 横波による探傷 30 -60 0 Y距離(mm) 0 10 20 30 -60 Y距離(mm) -40 -20 0 20 40 60 Y距離(mm) (c) 深さ2mmスリットの45°横波による探傷 (d) 深さ2mmスリットの２次クリーピング波による探傷 図 3 欠陥と裏波の識別に対する 2 次クリーピング波法の有効性を示すシミュレーション解析結果の B スコープ像 (a) 無欠陥の場合の45° 横波による探傷波形（ 図3(a)に対応 ） (b) 無欠陥の場合の２次クリーピング波による探傷波形 （図3(b)に対応） 図 4 裏波が存在する場合の 45°斜角深傷と 2 次クリーピング波深傷の深傷波形 グ波法を用いた場合の効果を調べた試験結果を示し は裏波と深さ 2mm の欠陥（スリット）が存在する ており，横波斜角探傷だけでは 5 チーム中の 4 チー 場合に，それぞれに横波 45 °斜角探傷と 2 次クリー ムが無欠陥領域で欠陥の存在をコール（誤検出・誤 ピング波での探傷を実施した場合の B スコープであ 認識）しているのに対して，2 次クリーピング波法 り，欠陥が存在すれば，いずれの条件でも欠陥エコ を追加して適用すると，全て誤検出が改善されてい ーは明瞭に観察されることが分かる。 なお，図 4(a) ることが分かる。 及び(b)は，それぞれ図 3(a)及び(b)に対応するエコー 図 3 は裏波エコーの識別に対する 2 次クリーピン が現れるプローブ位置での A スコープ（解析結果） グ波法の有効性に関する解析結果を示している。図 を示したものである。 以上の結果から，裏波と欠陥 3(a)は半径 2mm の半円形の裏波が存在し，かつ欠陥 の識別に 2 次クリーピング波法が有効であることが が無いモデルを横波 45 °斜角探傷した場合の解析事 シミュレーション解析からも確認することができ 例を B スコープ表示したもので，欠陥は無いのに明 た。 瞭なエコーが裏波部に認められる。また図 3(b)は， 3.2 このモデルを 2 次クリーピングで探傷した場合の B 実機探傷結果の事前推定・確認への活用 スコープであり，裏波が存在しても紛らわしいエコ 実機探傷においては，探傷部位の構造設計図を基 ーが観察されないことが明らかで，2 次クリーピン 本として探傷条件や探触子走査位置などを検討する グ波法の有効性を示している。図 3(c)および図 3(d) が，同じ構造を有する試験体を用いて，あらかじめ 12 溶接・非破壊検査技術センター 技術レビュー Vol.4 2008 原子炉圧力容器鋼 （SQV2A） のテンパービード溶接法に関する研究 超音波探傷を支援するシミュレーション解析技術の活用事例 管台から SE への深傷 無欠陥の状態および人工欠陥が存在する状態で，ど SE から管台への深傷 の様なエコーが計測されるかを確認するのが一般的 である。 図 5 はその様な目的で実施した PWR プラントの 管台異材継手部試験体の内面からの探傷状況を示す もので，このような試験体を用いて探傷試験を実施 するとともに，シミュレーション解析を実施した。 図 5 異材継手部の試験体形状および解析モデル 図 5 に示すシミュレーション解析モデルには低合金 鋼の管台とステンレス鋼の配管を繋ぐ低合金鋼側の ニッケル基合金バタリングと溶接金属および管台側 内面のオーバレイを設定してあり，バタリングと溶 接金属とオーバレイには実機試験体と同等の組織異 方性を設定してある。 この試験体を探傷して得られた B スコープ像を図 6 に示す。無欠陥であるにもかかわらず，白線で示 した体積検査範囲の内部およびその範囲を超える領 域に多数のエコー群が計測されており，この結果か らだけでは，それぞれのエコーが何処から帰ってき て，何を意味しているかを判断するのは容易ではな い事が分かる。 これらのエコー群の発生場所や要因を調べるため に，既に図 5 に示した同一形状・材料構成のモデル に対してシミュレーション解析を実施した。得られ た B スコープ像を図 7 に示す。図 6 及び図 7 には対 体積検 査範囲 応するエコー群にインデックスを付けて示してある が，両者は非常に良く対応している事が分かる。さ らにシミュレーション技術の特徴である超音波伝播 状況の観察により，得られたエコー群の発生位置や どのような経路で探触子に戻ってくるかについて調 査した。例えば図 8(a)は図 6 および図 7 の（B3-A5） エコー群について調べたもので，探触子から出た縦 波（赤色で表示）が裏面の溶接部中央近傍に入射す る直前の状態を表し，また図 8(b)は図 8(a)で示した 縦波が，裏面の溶接部中央付近で横波（青色で表示） にモード変換して探触子の方向に戻り，探触子に到 達する直前の状態を示している。 図 7 異材継手試験体のシミュレーション解析結果 これらの図 8(a)および(b)に示した超音波の伝播状 況は，実際には連続した動画として表わすようにし 描かれるその他のエコー群，たとえば（B3-A1）∼ ているため，これらの動画を詳細に観察することに （B3-A4）についても詳細な観察を行なうことにより より，B スコープ上に描かれるエコー群が何処で発 図 9 に示す経路で受信されていることが明らかとな 生し，どの様な経路で戻ってきて受信されるのかを， った。ここで（B3-A1）∼（B3-A4）エコー群は， 解明することが可能である。即ち，B スコープ上に 被検体の形状や探触子の位置・超音波の入射方向か 13 溶接・非破壊検査技術センター 技術レビュー Vol.4 2008 研究報告 欠陥検出評価技術に関する研究 裏面に入射 する縦波 （a）縦波が裏面に入射する直線の状況 （a） （B3-A5）および（B3-A1）エコー群の受信経路 ﾓｰﾄﾞ変換して 戻ってきた横波 （b）モード変換して探蝕子に戻る直前の横波 （b） （B3-A2）および（B3-A4）エコー群の受信経路 図8 超音波伝播状況の詳細な観察例 図 9 エコー群の発生位置・反射経路の観察結果 ら考えると，被検体が均質材であれば反射してくる 縦波斜角探傷の基準感度校におけるノッチ幅の影響 はずの無い経路からのエコーであり，溶接部の組織 超音波探傷試験における基準感度の校正方法とし 不均質の影響で得られたエコーであることが分か ては横穴やノッチを校正用反射体として用いた方法 る。 以上に述べたように，実機の探傷に先立って同一 が規定されている。縦波斜角法を用いて，裏面（探 形状・材料構成の試験体で行なう探傷試験ととも 傷面の反対側の面）に開口した面状欠陥を検出対象 に，シミュレーション解析を行なうことは，無欠陥 とする場合は，縦波が裏面開口欠陥で反射する際に 状態および欠陥を想定した状態における探傷結果を 縦波から横波へ振動モードが変わるモード変換が生 的確に推定することが可能になり，超音波探傷の信 ずる。このモード変換に伴う反射損失も考慮した校 頼性向上に非常に有効であると言える。 正法としては横穴ではなくノッチを用いるのが有効 であると考えられる。しかし，縦波斜角法によるノ 3.3 超音波探傷の規格基準化を支援する活用 ッチの探傷では，探傷条件によってはノッチ高さが 超音波探傷において探傷感度の設定は，欠陥の検 大きくなってもエコー高さが変わらない事や，逆に 出性にかかわる重要事項であり，その方法は，従来 ノッチ高さが小さい方がエコー高さが大きくなるな の探傷方法に関しては，現在の規格に定められてい ど，説明がしにくい現象があった。 るが，近年，用いられるようになった探傷方法に関 そこで，ノッチを用いた縦波斜角探傷の基準感度 しては，注意を要する点がある。この様な点の規格 校正方法の検討に資するため，ノッチ幅とノッチ高 基準化には，十分なデータを準備することが必要で さを変えてシミュレーションを行い，エコー高さと あるが，超音波伝播シミュレーション解析は，探傷 の関連を理論的に調査した。 図 10 はその結果の一例を示すもので，(a)に示す 条件や探傷の対象を容易に変えて実施できるため， 試験片や探触子等を多数製作ことなくバックデータ 2MHz 縦波 45 °斜角探傷，ノッチ幅 0.3mm の場合は を提供する事が可能なため，有効に活用する事がで 欠陥深さが深くなるにつれてノッチからのエコー振 きる。ここでは規格基準化への対応を考慮した 2 件 幅値が大きくなっているが，(b)に示したノッチ幅 の活用事例について述べる。 0.7mm の場合は，ノッチ深さ 1.5mm ∼ 2.0 近傍で信 号振幅値が極小となる。従って，校正用試験体の製 作にはノッチ幅も適正な値を規定しなければならな 14 溶接・非破壊検査技術センター 技術レビュー Vol.4 2008 原子炉圧力容器鋼 （SQV2A） のテンパービード溶接法に関する研究 超音波探傷を支援するシミュレーション解析技術の活用事例 エコー高さ(DAC, dB) 0.0 -6.0 -12.0 ノッチ幅0.3mm 40t 2MHz LA45 10mm 波数1 40t 2MHz LA45 10mm 波数2 40t 2MHz LA45 10mm 波数3 -18.0 -24.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 ノッチ深さ(mm) （a） EDM ノッチ幅：0.3mm エコー高さ(DAC, dB) 0.0 図 11 フェーズドアレイ法における超音波入射角と 検出感度の関係 -6.0 はエコー高さの低下の傾向が大きくなることが分か -12.0 ノッチ幅0.7mm る。この結果から，セクタースキャン方式のフェー -18.0 -24.0 0.0 40t 2MHz LA45 10mm 波数2 40t 2MHz LA45 10mm 波数3 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 ズドアレイ法で SCC 等面状欠陥の検出を行なう場合 は，探傷結果を評価する超音波入射角の近傍で探傷 7.0 感度の設定を行なう必要がある事が述べられている。 ノッチ深さ(mm) （b） EDM ノッチ幅：0.7mm 4......結 言 図 10 ノッチを用いた縦波 40°斜角深傷の感度設定におよぼす ノッチ深さとノッチ幅の影響 以上に述べたように超音波の伝播状況を詳細に観 察することが可能となるシミュレーション解析は， いことが分かる。更に詳細なデータは出典 9）を参照 最適探傷条件の策定や探傷結果の推定と評価など， されたい。なお，この様な特異な傾向は横波斜角法 超音波探傷を支援する非常に有効なツールである。 や縦波斜角法でも 4MHz の場合には観察されていな 今後は教育用のツールとしても活用してゆきたい。 い。 参考文献 フェーズドアレイ法における探傷角度の影響 1）特集 超音波 NDT のための最近のシミュレーシ ョン I, II，非破壊検査 Vol. 48 No. 4 及び No. 5 フェーズドアレイ法は，平成 14 年に顕在化した (1998), P. 234 BWR プラント再循環系配管溶接部の SCC 問題以降， 原子力プラントの供用期間中検査（ISI）に適用され 2）特集 超音波検査のための最近のシミュレーシ る超音波探傷規格の改訂に盛り込まれ，重要な対象 ョン技術，超音波 TECHNO Vol. 13 No. 2 (2001), 部位の探傷へ頻繁に用いられるようになった。 P. 1 フェーズドアレイ法の ISI における主な検出対象 3）古村，池上，三原田，上杉：超音波探傷シミュ 欠陥は SCC 等の板厚方向に進展した面状欠陥であ レーション大規模コードの開発，超音波 り，また，通常，フェーズドアレイ法では縦波が用 TECHNO Vol. 13, No. 2 (2001), P .10 いられるが，ノッチを用いたセクター走査における 4）古川，古村 他：原子炉再循環系配管の SCC 深 基準感度の設定では，超音波の入射角による探傷感 さサイジング技術，保全学，Vol. 3 No. 3 (2004), 度の変化に注意しなければならない。 P. 51 5）http://www.engineering-eye.com/ComWAVE/ 図 10 は縦波斜角探傷の超音波入射角がノッチから 6）http://www.cyberlogic.org/ 又は http://www.i- のエコー高さの変化に及ぼす影響をシミュレーショ sl.com/ ン解析で調べたもので ，超音波入射角が 50 ° 以上で 10） 15 溶接・非破壊検査技術センター 技術レビュー Vol.4 2008 研究報告 欠陥検出評価技術に関する研究 感度校正に関する検討，保全学会第４回学術講演 7）http://www-civa.cea.fr/ 又は http://www. 会予稿集（2007） ，P. xx sonix.jp/ 8）古村，古川：光弾性可視化法による超音波探傷 10）JNES-SS レポート（JNES-SS-0620）：低炭素ス シミュレーションソフトウェアの検証，発電設備 テンレス鋼の非破壊検査技術，独立行政法人 原 技術検査協会 技術レビュー Vol. 3（2007） 子力安全基盤機構 規格基準部，2007 年 3 月 9）古川，古村：ノッチを用いた斜角 UT 法の基準 古村一朗 16 溶接・非破壊検査技術センター 技術レビュー Vol.4 2008 古川 敬
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